Биохимия обмена веществ Особенности строения и метаболизма тканей зуба. Патология пародонта (гингивит, пародонтит, пародонтоз).
Зуб состоит из 3 минерализованных тканей: эмали, дентина и цемента, а в его центре расположена пульпа – «костный мозг». Цемент окружает пульпу, которая заполняет полость зуба, в ней находятся кровеносные сосуды и нервные окончания. На выступающей части зуба дентин контактирует с эмалью, а погруженные в челюсть корни зуба - с цементом.
Эмаль зуба
Эмаль, покрывает коронку зуба, - самая твердая и плотная ткань организма, имеет своеобразное строение и химический состав. На неорганические компоненты эмали приходится – 97 % ее массы, на органический – всего 0,4- 0,8%, а оставшуюся часть составляет вода. Вода зуба включает две фракции: свободная, которая испаряется при высушивании зуба, связанную (кристаллическую) воду, которая образует гидратную оболочку кристаллов апатита.
Минеральным компонентом эмали является сульфат кальция в виде кристаллов гидроксиаппатита Са10(РО4)6(ОН)2. Элементарная ячейка структуры эмали содержит ионы Na, Mg, K, а так же Zn, Fe, Sn которые присутствуют в очень небольших количествах. Они неравномерно распределены в слое эмали, их содержание постепенно уменьшаете по направлению от поверхности эмали к эмалеводентиновой границе. Толщина эмали в различных участках коронки неодинакова и колеблется от 0,62 -1,7 мм, на уровне жевательных бугорков зубов и до 0,01 мм в области шейки зуба. Наибольшей минерализованностью, твердостью и в тоже время, хрупкостью обладает поверхностный слой эмали. В этом слое минимальное содержание фтора -5г/кг.
Апатиты эмали. Основным апатитом эмали, и других тканей зуба, является гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2 и 8-кальциевый фосфат Н2(РО4)6 5Н2О. если строение основного апатита соответствует формуле Са10(РО4)6(ОН)2, то соотношение Са/Р -1,67. В гидроксиапатитах эмали зуба на уровне элементарных ячеек кристаллов происходят интенсивные изоморфные замещения. Эти процессы возможны благодаря важнейшему свойству эмали – ее проницаемости. Размеры имеющихся пор позволяют проникать различным ионам, которые адсорбируются на ее поверхности. Однако только небольшое количество ионов может включиться в структуру апатитов, это Са2+,РО42-,F-,Sr2-,CI-. некоторые из этих веществ входят в состав реминерализующих веществ для профилактики кариеса.
Изоморфные замещения изменяют структуру кристаллов, что отражается на свойствах эмали, например, включение ионов Mg, может снижать резистентность эмали к кариесу. F- участвует в изоморфном замещении, при этом образуются гидроксифторапатиты и фторапатиты:
Са10(РО4)6(ОН)2 + F- → Са10(РО4)6(ОН) + (OH)-
Гидроксиапатит гидроксифторапатит
Са10(РО4)6(ОН) + F- → Са10(РО4)6 F2 + (OH)-
Гидроксифторапатит фторапатит
С образованием ионов фтористых соединений меняется кристаллическая решетка, повышается ее плотность, уменьшается пространство между кристаллами, снижается проницаемость эмали. Повышается устойчивость эмали к кариесу и неблагоприятным воздействиям (снижение рН слюны). В эмали содержится около 0,66 % фторапатитов.
Количество фторапатитов и гидроксифторапатитов уменьшается в направлении от поверхности эмали к эмалево-дентиной границе. В более глубоких слоях эмали содержание фтора в апатитах снижается, но повышается количество карбонат-апатитов.
Поступление в эмаль больших концентраций фтора приводит к образованию фторида кальция (СаF2), практически нерастворимого вещества, которое быстро исчезает с поверхности зуба при рН больше 7,0. Вместе с фтором эмаль теряет ионы кальция. Избыточное содержание фтора в воде и почве сопровождается разрушение апатитов зубов и вызывает флюороз.
В эмали зуба также содержатся хлорапатиты Са10(РО4)6СI2 и карбонапатиты Са10(РО4)6СО3. Карбонапатиты эмали могут образовываться как в поверхностных слоях, так и в области эмалево-дентинной границы. Основным источником бикарбонатного аниона (НСО3-) в тканях зуба является анаэробное окисление глюкозы, происходящее в одотобластах и микроорганизмах зубного налета. Поэтому при употреблении пищи, богатой углеводами, количество карбонапатитов в эмали увеличивается. Накопление этих соединений свыше 3-4% общей массы гидроксиапатитов приводит к развитию кариеса.
Интенсивность образования стронциевых апатитов Са9Sr(РО4)6(ОН)2 зависти от содержания стронция и кальция в пище и воде. Ионы стронция вытесняют кальций из кристаллической решетки апатита, но сами в ней не удерживаются. При недостатке кальция и повышении концентрации стронция замещение происходит более активно, это увеличивает проницаемость эмали и возможность диффузии в нее других ионов.
Реакции изоморфного замещения значительно активируются в условиях дефицита в организме кальция и фосфат-аниона, который может возникать при недостатке их в пище или из-за нарушения их всасывания в тонком кишечнике. Свободные места в кристаллической решетке гидроксиапатитов занимают ионы, присутствующие в избытке. Поступление в организм продуктов, обогащенных солями кальция, ускоряет вывединие из организма антагонистов Са (стронция).
Строение кристаллов эмали
Структурной единицей эмали являются эмалевые призмы, проходящие сквозь толщу эмали и построенные из кристаллов разной формы. Каждый кристалл окружен гидратной оболочкой, которую называют эмалевой лимфой. Она представляет собой слой воды, связанный с кристаллом. Любое проникновение веществ на поверхность или внутрь кристалла требует прохождения через гидратную оболочку. Внутри кристалла тоже присутствует связанная вода, ее называют внутрикристаллической водой, от нее зависят химические свойства, растворимость и проницаемость эмали.
Апатиты эмали характеризуются своей кристаллохимической индивидуальностью, отличной от других твердых тканей, и определяется особенностью строения белковой матрицы.
Формирование органической основы эмали
В построении эмали участвуют амелобласты, которые синтезируют молекулы, обеспечивающие создание матрицы, транспорт, связывание и депонирование минеральных компонентов, необходимых для формирования апатитов. На начальных этапах количество белка, секретируемое в межклеточное пространство, составляет 20% массы ткани, кристаллы гидроксиапатита отсутствуют, количество связанного с органическими структурами кальция и фосфат-аниона очень велико. Фибриллярные белки эмбриональной эмали очень богаты пролином и содержит гидроксилизин.
В процессе формирования матрицы и ее минерализации происходят изменения органического состава ткани и апоптоз амелобластов. Зрелая эмаль – бесклеточная минерализованная ткань и поэтому не способная к регенерации при повреждениях.
В состав органической составляющей эмали входят несколько ферментов: сериновые протеазы, металлопротеазы (коллагеназы), фосфатазы, которые участвовали в деградации белков на стадии минерализации и частично сохранились в матриксе. В матриксе присутствуют свободные аминокислоты (гли, вал, про, гидрокси-про), следы гликозилированных, сульфатированных, фосфорилированных белков, аналогичным неколлагеновым белкам костной ткани. Углеводный компонент гликопротеинов содержит: галактозу, глюкозу, маннозу, глюкуроновую кислоту и следы других моносахаридов. Незначительное количество цитрата и липидов. Органические вещества находятся меду кристаллами апатита в виде пучков, пластинок и веретен, они влияют на биохимические и физические процессы, происходящие в эмали зуба.
Около 90% белков эмалисоставляет амелогенин, имеют низкую молекулярную массу, остальные 10% представлены энамелином, тафтелином, амелином (более 5%).
Амелогенины – гликофосфопротеины, на 25-30% состоящие из про, содержат так же много гис, глн, лей. В межклеточном пространстве происходит протеолиз амелогенина, в органической структуре зрелой эмали сохраняются два амелогениновых пептида, один богат тир, другой лиз, в их структуру входит – 75% всего органического фосфата эмали.
Энамелин фосфорилируется в ходе посттрансляционных модификаций, что обеспечивает его связь с минеральным компонентом эмали. Углеводный компонент амелогенина и энамелина: остатки сиаловой кислоты, галактозамина и глюкозамина.
Тафтелин – фосфорилированный гликопротеин, участвует в образовании центров кристаллизации на начальной стадии минерализации эмали.
|
Рис.1. Образование первичного кристалла при участии фосфорилированного серина (А), АМК остатков лизина и глутамата (В).
|
В эмали плода, на этапе развития ткани, соотношение амелогенины/энамелины составляет 9:1, в зрелой ткани 1:1. то есть амелогенины играют важную роль на этапе формирования матрицы и ее минерализации, но в ходе созревания эмали деградируют в 10 раз быстрее энамелинов.
Энамелин и тафтелин имеют модифицированные аминокислотные остатки, которые, связывая кальций и фосфат-анион, обеспечивают образование первичной ячейки гидроксиапатита (первичный кристалл). А) Аминокислотные остатки лизина в белках могут присоединять неорганический фосфат. Б) и в процессе дефосфорилирования потеинфосфатазами могут стать источником фосфата, необходимого для образования апатитов.
-NH-CH-CO-…-NH-CH-CO-…-NH-CH-CO-
CH2 R CH2
CH-COO- Ca2+ -COO-CH
CO CO
O O
CO CO
CH-COO- Ca2+ -COO-CH
CH2 R CH2
-NH-CH-CO-…-NH-CH-CO-…-NH-CH-CO-
Рис.2.Участие γ-Глу в образовании кальциевых мостиков.
Кальций-связывающие белки развивающейся эмали содержат остатки карбокси-глу. За счет наличия дополнительной СООН группы, эти белки присоединяют Са, образуют внутрицепочечные и межцепочесные Са-мостики, позволяющие не только удерживать ионы, но и обеспечивать их правильную ориентацию в матриксе.
В процессе созревания эмали органическая матрица выполняет следующие функции:
Образует каркас, к которому присоединяется Са-связывающий белок;
Формирует трехмерную матрицу для минерализации с помощью Са-связывающих белков;
Формирует центры кристаллизации при участии функциональных групп Са-связывающих белков, фосфолипидов, цитрата;
Ориентирует процесс кристаллизации, обеспечивая упорядоченность, регулярность и прочность образуемой структуры.
Несовершенный амелогенез или наследственная дисплазия эмали могут быть вызваны нарушением обмена веществ в период формирования матрикса эмали и ее минерализации. Причиной могут быть: мутации в генах белков, участвующих в минерализации, нарушение процессов их посттрансляционной модификации, снижение синтеза и секреции энамелобластами цитрата и фосфолипидов, недостаток кальция и фосфатов.
Изменения первичной структуры, ошибки в ходе посттрансляционных модификаций белков или снижение активности амелобластов приводят к нарушению минерализации эмали. При этом образуется тонкий слой эмали или он вовсе отсутствует, а зубы меньшего размера и окрашены в серый или коричневый цвет.
Дентин зуба
Дентин обновляется на протяжении всей жизни человека. В нем содержится 19-21% органических веществ (меньше чем в кости – 35%). Клетки дентина расположены на границе дентина и пульпы (в кости – равномерное распределение клеток). Дентиногенез молочных зубов идет быстрее, чем таковой при образовании вторичного денитина.
Дентин является первичной тканью зуба и появляется раньше эмали и цемента. В области коронки он покрыт эмалью, а в области корня цементом. Его формирование обеспечивают одонтобласты, синтезирующие и секретирующие коллаген и неколлагеновые белки матрикса, цитрат, фосфолипиды, ГАГ. В полностью сформированном зубе одонтобласты остаются метаболически активными, участвуют в обмене органических веществ с помощью множества клеточных остатков, которые находятся в дентиновых канальцах. По канальцам осуществляется связь с пульпой зуба, эмалью, цементом, поступление питательных и минеральных веществ из пульпы.
Из паренхиматозных клеток пульпы на протяжении всей жизни человека формируются новые одонтобласты. Процесс дифференцировки происходит под контролем регуляторных белков. В обмене органических веществ участвуют одонтобласты, лежащие на границе дентина и пульпы. При повреждении дентина эти клетки способны восстанавливать матрицу и регулировать ее формирование.
Минеральный состав дентина
Неорганический компонент составляет приблизительно 70-75 % общей массы дентина и состоит из гидроксиапатита Са10 (РО4)6(ОН)2 . кристаллы дентина меньше, чем в эмали, и размеры схожи с кристаллами, кости и цемента и зуба.
В процессе изоморфных замещений в дентине могут образовывать апатиты, содержащие ионы СО32-, Mg2+, F-, Na2+, СI-. Мg-содержащий апатитов в дентине в 3 раза больше, чем в эмали, максимальное количество находится на границе с эмалью. Содержание фторапатитов меняется в ходе формирования дентина и увеличивается в 3-4 раза по сравнению с начальной концентрацией. Содержание Na2+, СI- возрастает во внутренних слоях дентина. Дентин содержит больше, чем в эмали, микроэлементов Si2+, Fe2+, Ba2+, Sr2+, Zn2+, Pb2+.
Органическая основа дентина представлена белками матрикса, цитратом, ГАГ, фосфолипидами. Белковая матрица дентина инициирует минерализацию, делает ее упорядоченной и регулируемой.
На долю основного белка, коллагена I типа, приходится 95% всех органических веществ дентина. В построении матрицы участвуют неколлагеновые белки, связывающие кальций аминокислотными остатками карбоксиглутаминовыми кислотами, фофопротеины, образованные после посттрансляционных модификаций. Гликопротеины дентина: фибронектин, остеонектин, остеокальцин, фермены, расщепляющие коллаген и участвующие в ремоделировкании дентина, а так же связанные с мембраной одонтобласта щелочная фосфатаза и Са-АТФ-аза.
В дентине проявляет активность специфический белок, участвующий белок, участвующи в минерализации матрикса.- фосфорин. Он синтезируется только одонтобластами и секретируется в межклеточное пространство. Уникальной особенностью этого белка является его аминокислотый состав – из 1000 аминокислотных остатков 426 приходятся на серин и 447 – на аспарагиновую кислоту. Фосфорилирование остатков серина увеличивает в 2 раза количество групп в белке, способны связывать кальций, это делает фосфорин главным участником образования центров кристаллизации.
В дентине присутствуют в небольшом количестве альбумин,β- и γ-глобулины, проникающие в дентин через кровеностные сосуды пульпы.
Содержит около 1% цитрата, образует соли с кальцием, выполняя роль его накопителя. Наличие солей цитрата кальция обеспечивает в любой момент восполнение недостающих ионов в кристалической решетке гидроксиапатита.
Несовершенный дентиногенез – результат нарушения формирования дентина – вызван мутациями в генах белков одонтобластов. При этой патологии дентина образуется меньше, прорезывание зубов задерживается. Эмаль нормальная, но так как нарушено эмалево-дентинное соединение, она постепенно скалывается. Дентин, не обладающий высокой твердостью, стираается.
Цемент зуба
Начиная от шейки зуба и до вершины корня дентин покрыт тонким слоем цемента. Наибольшая толщина слоя цемента у вершины корня. Клетки цементного вещества – это цементобласты и цементоциты. Цемент боковой поверхности зуба не содержит клеток, это бесклеточный, первичный цемент. Клеточный, вторичный цемент располагается у верхушки корня и содержит клетки цементоциты и цементобласты. Цементоциты замурованны в минерализованном матриксе. Функциональную активность проявляют функциональную активность. Поступление питательных веществ и ионов в цемент происхобит со стороны парадонта и частично со стороны дентина.
По химическому составу органического и неорганического компонента цемент напоминает грубоволокнистую кость, но, в отличие от нее, не имеет сосудов и не подвержен постоянной перестройке. Органический матрикс составляет 24-26% массы, на долю минеральных веществ приходится 65-70%, оставшаяся часть приходится на воду.
Органический матрикс цементного слоя состоит преимущественно из коллагена I типа (90%) и III (5%), причем часть последнего представленна тропоколлагеном. Некоторые неколлагеновые белки идентичны костным – сиалопротеин кости, остеопонтин, остеонектин. Многие органические вещества являются фосфатированными, сульфированными гликопротеинами, они взаимодейтсвуют с другими компонентами матрикса. В цементе присутствуют в небольшом количестве и ГАГ (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, дерматансульфат).
Минеральный компонент – гидроксиапатиты и небольшое количество аморфного фосфата кальция. В изоморфных замещениях активно участвует F- , с возрастом его содержание в цементе возрастает. Цементное вещество содержит 0,5-0,9 % магния и очень небольшое количество цинка, меди, натрия и сры. Повышение концентрации протонов водорода, приводит к быстрой декальцификации, и разрушению гидроксиаппатитов.
В цементе не происходят постоянно процессы де- и реминерализации, т.е. он более резистентен к резорбции, чем костная ткань. Возможность регенерации или отложение вторичного цемента играет большую роль при стиранииэмали и компенсаторном отложении цемента, неудачном удалении зуба, когда в лунке челюсти остаются обломки корня и парадонтозе.
Пульпа зуба
Пульпа – единственная неминерализованная ткань зуба. Она представляет соборой мягкую соединительную ткань, которая заполняет полость зуба в области коронки и корневой канал зуба, содержащий большое количество нервов и кровеностных сосудов.пульпа – энергетический центр зуба. Для нее характерно высокое содержание кислорода, необходимое для аэробного гликолиза, окислително-восставновительных реакции ОПК. В клетках пульпу протекают матричные процессы – синтзе РНК, белков, а так же метаболические пути, поставляющие меобходимыми субстратами и источниками энергии для этих процессов. Присутствуют ферменты щелочная и кислая фосфатазы, участвующие в минеральном обмене, идет обмен аминокисло, которые обеспечивают аминотрансферазы и пепептидазы.
Клетки пульпы снабжаются питательными веществами по кровеностных сосудов.
Пульпа поставляет органическими и минеральными веществами дентин и эмаль зуба. Метаболизм твердых тканей зуба в области корня осуществляется посредством диффузии питательных веществ из пульпы и периодонта.
Одна из основных функций пульпы состоит в поддержании структурно-функционального состояния дентина. Каждое сверление или обтачивание зуба, если оно затрагивает дентин, вызывает реакцию со стороны пульпы, которая выражается в образовании вторичного дентина.
Содержащиеся в пульпе макрофаги, дендритические клетки обеспечивают защиту зубной полости и периодонта от инфекции.
Клетки пульпы
Условно пульпу делят на несколько зон, которые отличаются по количеству и разнообразию клеток. Периферическую часть пульпы и частично участки дентина выстилают высокодифференцированные клетки – одонтобласты. Они имеют отростки, которые пронизывают всю толщу дентина, обеспечивая доставку питательных и минеральных веществ к эмали и дентину. Последующие слои содержат короткие отростки одонтобластов.
Следующий слой пульпы состоит из большого количества мало- или недифференцированных эктомезенхимальных клеток, которые являются предшественниками клеток соединительной ткани пульпы. Клетки могут превращается в одонтобласты и фибробласты. С возрастом количество клеток снижается, что приводит к снижению репарационной способности пульпы. В этой зоне проявляют активность фибробласты и Т-лимфоциты.
Фибробласты участвуют в формировании и обмене органических структур матрикса пульпы. Получение фибробластами специфических сигналов может повысить их макрофагальную активность, т.е. способность утилизировать коллаген и др.
В центральной зоне пульпы, кроме одонтобластов, мало- и недифференцированных эктомезенхимальных клеток, присутствуют мактофаги, дендритные клетки, тучные клетки. Макрофаги захватывают и уничтожают различные микроорганизмы, бактерии, погибшие клетки.
Дендгитные клетки не являются фагоцитами, но они участвуют в иммунологическом контроле, их количество возрастает в зубах, пораженным кариесом. Популяция дендритных клеток и макрофагов составляет 8% общей популяции клеток пульпы (соотношение 4:1). Эти клетки поглощают различные антигены, проникающие в пульпу, обеспечивает их процессинг и представление лимфоцитам.
Внеклеточный матрикс пульпы. В пульпе зуба присутствует коллаген I и III типа в соотношении 55:45 соответственно. Синтезируется одонтобластами. На стадии формирования матрикса пульпы фибриллы коллагена расположены беспорядочно, с возрастом содержание коллагена увеличивается и возрастает упорядоченность структуры волокон белка.
В состав матрикса пульпы входят ГАГ (ХС, гиалуроновая кислота), гликопротеины и вода. Эти молекулы взаимодействуют с коллагеном и друг с другом. Они участвуют в переносе питательных веществ межклеточного матрикса с возрастом или в результате заболевания приводит к нарушениям метаболического и минерального обмена и метаболизма в ткани. При кариесе происходят деструктивные изменения в одонтобластах, разрушение коллагеновых волокон, появляются кровоизлияния, снижаются активности ферментов и обмен веществ в пульпе.
Через пульпу осуществляется взаимосвязь организма и тканей зуба. Различные заболевания человека, отражаются на метаболизме тканей зуба, снижают их способность противостоять внешним повреждающим факторам. Заболевания зубов и особенно пульпы могут вызвать патологические процессы в организме.